[发明专利]一种机器人末端十二维传感器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器及其设计方法，具体涉及一种机器人末端十二维传感器及其设计方法，属于机器人领域。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人技术越来越多的被应用于各种场合，如搬运、焊接、装配等。空间机械臂是机器人领域一个重要的研究方向，要求质量轻、控制精度高、自由度多、载荷自重比大，能够进行力控制等，其核心问题是智能化。为了满足高精度的力控制，末端六维力/力矩传感器成为空间机械臂的重要组成部分，它能够同时感知三维空间中的全力信息，是作为空间机器人智能化特征的一个关键部件。

但是由于空间机械臂的柔性，使得空间机器人存在末端的残余振动。现有空间机械臂末端还存在其他一些问题，如载荷参数辨识困难以及接触碰撞等问题。针对这些问题，传统的六维力矩传感器不能满足控制要求，难以实现接触力和载荷惯性参数的辨识任务。

发明内容

本发明为解决现有空间机械臂末端存在残余振动、载荷参数难以辨识以及接触碰撞的问题，进而提出一种机器人末端十二维传感器及其设计方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述传感器包括六维力矩传感器、六维加速度传感器和采集板，六维力矩传感器由内环、四个内梁、四个第一应变片、四个第二应变片、四个外梁和八个连接板组成，四个第二应变片和四个外梁呈环形交错设置，每个第二应变片端部与相邻近的一个外梁的端部通过一个连接板连接，四个第二应变片、第二外梁和八个连接板组成封闭的外框体，内环设置在所述外框体内，内环的外侧壁通过四个内梁与所述外框体上的四个外梁连接，相邻两个内梁之间的内环的外侧壁上分别设有一个第一应变片，每个第一应变片分别与一个第二应变片对应，六维力加速度传感器嵌装在内环内，采集板安装在六维力矩传感器的侧面。

本发明所述传感器的设计方法的具体步骤为：

步骤一、设计传感器的整体：将六维加速传感器安装在六维力矩传感器的内环上，六维加速传感器与六维力矩传感器相互独立，二者之间没有耦合；

步骤二、六维力矩传感器设计：传感器的设计指标为：沿着三个坐标轴方向的力量程为±500N，误差为±0.015N，围绕着三个坐标轴的力矩量程为±100Nm，误差为±0.003Nm，为了防止空间搬运时较大的惯性力会导致传感器过载，结构设计时采用销孔间隙式机械保护结构。

本发明的有益效果是：本发明具有结构模块化、紧凑化、多感知能力等优点，克服了传统六维力矩传感器功能单一，不能为机器人末端振动的抑制提供直接加速度反馈的缺点。

机器人振动抑制、笛卡尔空间加速度控制器的设计是高性能机器人控制器的一个重要组成部分。机器人末端六维力矩传感器的标定、与机器人末端执行器之间实现相互的姿态校正需要在地面环境中或者机器人末端姿态的测量。

由于六维加速度能够准确、灵敏地反映物体运动的变化情况，六维加速度传感技术在工业自动化系统、交通运输工具、机器人控制系统、导航制导设备、互动娱乐设备、医疗保健设备和地震预测装置中有着广泛的应用前景。如提出通过测量大地的六维加速度进行地震的分析；韩国三星公司研究开发了基于六维运动测量的数字输入设备，利用电子笔在空间中模拟书写的运动轨迹实现字符的输入，此外，六维加速度传感器还可用于室内机器人、隧道机器人和导航、人体姿态变化的记录分析、碰撞实验分析、振动测试、隔振平台的反馈控制和体育训练中球体运动轨迹分析等诸多领域。因此，能够实现六维加速度传感的六维加速度传感器和六维加速度测量系统的研究在学术领域和工业生产中具有重要价值，日益引起人们的关注。

附图说明

图1是本发明的主视图，图2是图1的仰视图，图3是刚体上固定点的加速度，图4是加速度的空间布置方案图，图5是惠斯顿电桥示意图，图6是应变片组桥图。

具体实施方式